（环境工程专业论文）填埋场渗滤液与其他生物质垃圾混合厌氧消化条件试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 ： 本论文生物质垃圾取自成都市交桂巷菜市场的垃圾场，接种物为成都市长安垃圾 填埋场渗滤液，在中温3 5 条件下，采用批式填料方式，研究不同有机负荷条件下 渗滤液与其他生物质垃圾混合厌氧消化过程。 首先，采用批式填料方式，运行渗滤液厌氧消化试验。结果表明：在整个第一次 渗滤液厌氧消化过程中，渗滤液始终未产气。其主要原因是此次试验的渗滤液为“中老 龄”渗滤液，可生化性较差，且渗滤液在存储过程中，已经过酸化阶段和产甲烷阶段。 第二次渗滤液厌氧消化系统的p h 一直维持在7 2 7 8 之间，水解酸化和产甲烷化阶段 都顺利进行，未受到抑制。最大日产气量为4 4 5 m l ，在试验第1 3 天出现最大甲烷含量 7 4 ，累计产气量为2 6 9 8m l ，由此可见，厌氧消化产气效果良好，消化系统较稳定。 然后，采用批式填料方式，分别在o 2 5g v s l d 、0 5 0g v s l d 、0 7 5g v s l d 有机 负荷条件下，对其他生物质垃圾和渗滤液进行混合厌氧消化条件试验。结果表明：第 一次批式混合厌氧消化试验中，o 2 5g v s l d 、0 5 0g v s l d 和o 7 5g v s l d 三个有机 负荷厌氧消化系统均未进入产酸阶段和产甲烷阶段，其累计生物产气量分别为4 3 6 m l 、 1 0 1 9 m l 和1 3 7 5 m l 。第二次批式混合厌氧消化试验中，0 2 5g v s l d 有机负荷混合厌 氧消化系统运行较稳定，而0 5 0g v s l d 和0 7 5 9 v s l d 有机负荷混合厌氧消化系统不 稳定，不能比较正常运行。在试验中后期，o 2 5g v s l d 有机负荷v f a 浓度下降趋势 明显，顺利进入产甲烷阶段，而0 5 0g v s l d 和0 7 5g v s l d 有机负荷v i a 浓度超过 了系统内不产甲烷菌所能承受的限度，在试验周期内，未能进入产甲烷阶段，且酸化 过程不可逆。在整个厌氧消化过程中，三个消化系统的氨氮浓度在1 5 0 0 m g l 左右内呈 波动变化。同时，氨氮浓度与碱度的变化趋势有一定的相关性。由于0 5 0 9 v s l d 和 o 7 5g v s l d 有机负荷未正常进入产甲烷阶段，所以只研究0 2 5 9 v s l d 有机负荷的日 产气量变化和气体成分含量变化情况。其中，c h 4 最高含量达到8 0 7 6 ，平均甲烷含 量为5 5 9 0 ，累积甲烷产量为3 8 8 6 m l ，累积产生物质气体3 0 3 9 m l 。由此可见，有机 负荷的选取将直接影响到厌氧消化系统的p h 变化，从而影响整个厌氧消化系统的稳定 性，阻碍消化反应顺利进行。因为只有在适宜的有机负荷条件下，才能够维持厌氧消 化水解酸化阶段和产甲烷化阶段的动态平衡。 关键词：批式；混合厌氧消化；其他生物质垃圾；渗滤液：有机负荷 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t - t h e p a p e r st o o kb i o m a s sw a s t ef r o mt h eg a r b a g ed u m p i n gc e n t r eo fg u i l a n em a r k e to f t h ec i t yo fc h e n g d u ，o ft h el e a c h a t ea st h ei n o c u l a t i o nw a sf r o mc h a n g a nl a n d f i l l i nc h e n g d u s t u d i e ss e q u e n c i n gb a t c ha n a e r o b i cc o - d i g e s t i o nw i t ht h eb i o m a s sa n dl e a c h a t ea tt h e t e m p e r a t u r ea b o u t3 5 cw i t hd i f f e r e n to r g a n i cl o a d s f i r s t , ab a t c ha n a e r o b i cd i g e s t i o nw i t ht h el e a c h a t e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tl e a e h a t e a l w a y sh a sn o tg a sp r o d u c t i o n a tt h ef i r s tt i m e t h em a i nr e a s o nw a st h a tt h el e a c h a t ef r o m m a t u r e ”l a n d f i l ll e a c h a t e ，i t sa b i l i t yo fb i o c h e m i c a lr e a c t i o nw a sv e r yl o w i nt h es t o r e d p r o c e d u r e ，t h e ”m a t u r e ”l a n d f i l l l e a c h a t eh a sb e e n p a s s d eb y t h e a c i d o g e n i c a n d m e t h a n o g e n i cs t a g e t h es e c o n dt i m e , t h ep hh a sb e e nm a i n t a i n e da tb e t w e e n7 2 7 8 ， h y d r o l y t i ca c i d i f i c a t i o na n dm e t h a n o g e n i cp h a s ew a sc a r r i e do u ts m o o t h l y , n o ti n h i b i t e d m a x i m u ma i rp r o d u c tw a s4 4 5 m lp r o d a y , m a x i m u mm e t h a n e7 4 o c c u r r e di nt h e13 t hd a y o ft h et r i a l ，c u m u l a t i v eg a sp r o d u c t i o nw a s2 6 9 8 m l , t h i ss h o w e dt h a ta n a e r o b i cd i g e s t i o n g a sp r o d u c t i o nw e l l ，d i g e s t i v es y s t e mm o r e s t a b l e t h e nab a t c ha n a e r o b i cd i g e s t i o nw i t hb i o m a s sa n dt h el e a c h a t ew i t ht h eo r g a n i cl o a do f 0 2 5 9 v s l d ，0 5 0 9 v s l da n d0 7 5 9 v s l d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tf i r s t l y , t h eo r g a n i c l o a d0 2 5g v s l d ，0 5 0g v s l d ，a n d0 7 5 9 v s l dw e r en o te n t e r t h ea c i d o g e n i ca n d m e t h a n o g e n i cs t a g e i t sa c c u m u l a t e dm a t e r i a lg a s w a s4 3 6 m l ，1 0 1 9 m la n d1 3 7 5 m l s e c o n d l y , t h ed i g e s t i v es y s t e mr u n n i n gm o r es t a b l ew i t ht h e0 2 5g v s l d 0 5 0g v s la n d d0 7 5 9 v s l dw e r ei n s t a b i l i t ya n dc a n n o tn l np r o p e r l y l a t ei nt h et r i a l ，v f ac o n c e n t r a t i o n o f0 2 5g v s l dt r e n d se v i d e n t , s u c c e s s f u l l ye n t e r e dt h es t a g eo fm e t h a n o g e n e s i s ，v f a c o n c e n t r a t i o no f0 7 5a n do 5 0g v s l dg v s l df a i l e dt oe n t e rt h em e t h a n o g e n i cs t a g e b e c a u s eo ft h ea c i d i f i c a t i n g ，a n dt h ea c i d i f i c a t i o np r o c e s sw a sn o tr e v e r s i b l e i nt h ep r o c e s s o fa n a e r o b i cd i g e s t i o n , t h ea m m o n i ac o n c e n t r a t i o nw a sa b o u t15 0 0 m g l t h et r e n d so f a m m o n i am t r o g e nc o n c e n t r a t i o na n da l k a l i n i t yh a dac e r t a i nr e l e v a n c e b e c a u s eo ft h e o r g a n i cl o a da b o u to 5 0 9 v s l da n d 0 7 5g v s l da r en o tc o r r e c t l ye n t e rt h em e t h a n o g e n i c s t a g e ，t h en i s s a na i ra n dg a sc o m p o s i t i o nc h a n g e s ，w h e r ec h 4h i g l lc o n t e n to f8 0 7 6 ， a v e r a g em e t h a n ec o n t e n to f5 5 9 ，a c c u m u l a t e dm e t h a n ep r o d u c t i o nw a s3 8 8 6 m l ，t h e a c c u m u l a t e dm a t e r i a lg a s3 0 39 m l w ec a l ls e et h a tt h es e l e c t i o no fo r g a n i cl o a d i n gc h a n g e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 w i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ep ho fa n a e r o b i cd i g e s t i v es y s t e m ，t h u sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo f a n a e r o b i cd i g e s t i o na saw h o l e ，i m p e d et h ed i g e s t i o nr e a c t i o np r o c e e d ss m o o t h l y b e c a u s ei t w a so n l yu n d e rt h ec o n d i t i o n so fa p p r o p r i a t eo r g a n i cl o a d ，b ea b l et od i m e n s i o na n a e r o b i c h y d r o l y s i s a c i d i f i c a t i o na n dm e t h a n e - p r o d u c i n gp h a s e so fd y n a m i cb a l a n c e k e yw o r d s ：s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ；a n a e r o b i cc o d i g e s t i o n ；o t h e rb i o m a s sw a s t e ； l e a c h a t e ；o r g a n i cl o a d i n gr a t e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 生物质垃圾的产生及处理现状 1 1 1 生物质垃圾的来源与组成 生物质的概念是自然要素( 大气、水、土地等) 以光合作用为基础产生的各种有 机物质。生物质主要包括各种动植物及其残体、动物排泄物、垃圾等。当生物质失去 其原来价值或在一定时空中未能被利用，从而导致其被搁置的一种状态，这就是生物 质垃圾。其实生物质垃圾就是人们在日常生产和生活消费过程中利用生物质，产生的 废弃物。其在能量密度和可利用性方面明显降低，但仍属于生物质。 生物质垃圾的来源主要包括四大类：农业生物质废物、林业生物质废物、城市生 物质垃圾和畜禽排泄废物。其中农业生物质废物( 如秸秆、菜叶等) ，主要是指农作物 加工剩余物；林业生物质废物主要是草木及其枯枝落叶、树皮等；城市生物质垃圾主 要包括厨余垃圾、餐厨垃圾、粪便和污泥；畜禽排泄废物主要是指畜牧业中产生的粪 便和尿液混合物。 根据上述生物质垃圾的不同来源，可将生物质垃圾分为下列三类：城市生物质废 物、农作物废物、畜禽粪便。目前，厨余垃圾和餐饮垃圾的含量在我国城市生物质垃 圾中所占的比重是最大的，且其有机生物质废物所占的比重也是最大的。据调查，我 国生活垃圾中生物质成分在近年来呈显著增加趋势，在某地方竞高达6 6 7 ，且含水 率较高，一般为5 5 6 5 。我国农作物废物以农作物秸秆为主。伴随着畜牧业的迅猛 发展，畜禽废物比重也显著增加，目前畜禽粪便已高达8 亿t 。 1 1 2 国外生物质垃圾处理现状 目前国内外，把生物质垃圾填埋、生物质垃圾焚烧、生物质垃圾能源化、生物质 垃圾饲料化、生物质垃圾肥料化、生物质垃圾作生产原料等技术作为处理处置生物质 垃圾的主要技术。为了实现节能环保，生物质垃圾能源化是国外优先考虑的处理技术， 其中，厌氧发酵，生物质发电、气化、固化，生物柴油技术是目前国外处理处置生物 质废物最常用的技术。对于禽畜粪便，城市生物质垃圾处理，可采用厌氧发酵技术， 即利用厌氧消化产沼气技术。据调查英国和丹麦在厌氧发酵产沼气技术方面的研究在 世界上处于领先水平。德国以沼气发电并网为基础己建立了环境保护策略。生物质被 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 用于燃烧发电的技术就是生物质发电，锅炉直接燃烧发电和生物质煤混合燃烧发电等 在外国现已得到广泛应用。美国和加拿大都在近年发展了生物质发电技术，发电量分 别可达7 0 和3 1 7 。若生物质废物中的热值含量较高，则可采用生物质气化技术进 行处理，即将固体生物质进行燃烧处理，从而转化成气体燃料。在2 0 世纪9 0 年代， 美国和加拿大分别都成立了相关的研究机构和实验室对此技术进行了相关研究。生物 质固化是把有一定粒度的生物质原料经过一定的压力作用，转化成成型燃料的技术， 美国、泰国、菲律宾等都对此方面的技术进行了相关研究，有些已推广应用。生物柴 油技术在国外很多国家已具有规模企业。 1 1 3 国内生物质垃圾处理现状 在我国生物质垃圾污染现象严重，具有量大、利用率低、开发潜力大、环境治理 迫切度高的特点。在城市生物质垃圾处理方面，目前我国生物质垃圾能源化利用相比 外国较弱。在城市生物质垃圾处理方面，居民日常生活中产生的的家庭厨余垃圾通常 与其他生活垃圾进行混合处理i 餐饮业和单位食堂产生的餐厨垃圾用于喂猪或直接排 入下水道；城市公共厕所及化粪池的城市粪便直接脱水处理或简单堆肥后作农肥；来 自城镇污水处理厂的城镇污泥，通常采用的处理技术是浓缩脱水后直接排放。在农作 物废物处理方面，我国农作物秸秆的产生量巨大，其中大部分用于取暖燃烧，但能量 转换效率低，还有一部分用于造肥还田，因此能源大部分都被浪费掉。对于畜禽粪便 处理，通常采用直接排放的方式。 目前国内主要的生物质废物能源化技术和国外保持一致，也是上述五类技术。厌 氧发酵在我国的大型沼气项目比较少，规模也比较小，多以农村小沼气为主；干发酵 和沼气发电被纳入探索性研究；生物质发电在我国已发展成生物质气化发电系统和示 范工程。生物质气化在我国“八五“九五十五期间都有研究，目前全国已建成 农村气化站2 0 0 多个，谷壳气化发电机组1 0 0 多台。对于生物质固化方面的研究，我国 起步较晚，起始于2 0 世纪8 0 年代中期，主要是进行成型燃料开发研究，但在目前已达 国际先进水平。目前生物柴油技术产业在我国己形成规模，这为我国今后继续发展生物 柴油技术提出了宝贵建议。可预测，在近3 年内我国在该方面的研究将有突飞猛进的 发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 填埋场渗滤液的产生及处理现状 1 2 1 填埋场渗滤液的来源及水质特征 按照填埋场的年限不同，渗滤液通常被分为两大类：一类是“年轻”渗滤液( 填埋 场年龄为3 5 年) ；另一类是“中年老”渗滤液( 填埋场年龄为5 年以上) 。其来源主要 有以下四个途径：垃圾本身所含的水分；垃圾填埋过程中，生物质垃圾厌氧发酵 产生的水分；垃圾经过地表水、地下水、雨水浸泡产生的废水；回灌水( 垃圾渗 滤液的一种处理方案，即把垃圾渗滤液在垃圾填埋场内循环喷洒，以减少渗滤液的产 量和降低渗滤液的毒性) 【l 】。 填埋场渗滤液的水质有以下主要特点：( 1 ) 水体受到严重污染，危害大。垃圾渗滤 液一般都含有耗氧高分子有机物、( 苯及苯的衍生物等) 有毒有害有机污染物，重金属 ( 汞、铬、镉等) ，n 、p 等营养元素等，且浓度变化较大；( 2 ) c o d 和b o d 浓度高。 渗滤液q b c o d 和b o d 极高，c o d 盯可达9 0 0 0 0 m g l ，b o d 5 可达3 8 0 0 0 m g l ，比城市污水 c o d e r 和b o d 5 浓度高1 5 0 - - 2 0 0 倍左右【2 】，远远高于城市污水，具有毒性大、难以生物 降解等特点。( 3 ) 水质水量变化大。水量的变化将直接影响渗滤液水质的变化，渗滤液 的量增加，渗滤液中有机污染物和金属离子浓度会随之升高 3 1 。( 4 ) 营养元素比例失调。 一般来说，渗滤液中氮含量较高，而c 、p 含量较低【4 】。运用生物处理的方法，磷是最 缺乏的元素，通常需从外界添加。 1 2 2 国内外填埋场渗滤液处理现状 填埋场渗滤液作为一种特殊废水，目前在国内外通常都是采用物化处理法和生化处 理法进行处理。物化法通常采用的技术有混凝沉淀、吹脱技术、吸附等。物化法通常 是渗滤液生物处理工艺中的第一道工艺，对渗滤液进行预处理，目的是降低后续处理 的负荷，以确保出水水质达标。厌氧发酵处理、好氧发酵处理、稳定塘等是生物处理 法采用的主要技术。其是处理渗滤液的一种最主要的处理方法。另外，渗滤液的土地 处理技术也越来越广泛地引起关注。渗滤液的土地处理主要去除的是渗滤液中的悬浮 固体颗粒和溶解成分，其运用的相关原理主要是土壤颗粒本身所具有的过滤、离子交 换、吸附和沉淀等作用。 目前在国内，对填埋场渗滤液厌氧消化处理也有一定的研究。我国在垃圾渗滤液应 用处理方面，厌氧滤池或u a s b 工艺是渗滤液生物处理工艺中最重要的一道工艺，其 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 曼, 4 i 皇曼曼曼曼量量曼皇曼曼曼曼皇曼詈曼 目的也是对渗滤液进行预处理。许多学者认为，对于高浓度渗滤液，即c o d 浓度在 5 0 0 0 0 m g l 以上，可采用厌氧处理和好氧处理或其他处理方法相结合的方法进行处理， 厌氧处理作为前处理工艺，好氧或其他方法作为后续处理工艺；对低浓度渗滤液，即 c o d 浓度在5 0 0 0 m g l 以下，可采用好氧生物处理工艺；对c o d 浓度在5 0 0 0 5 0 0 0 0 m g l 之间的渗滤液，好氧或厌氧处理工艺都可行，根据具体实际情况而定【2 】。厌 氧生物处理有许多优点，最主要是能耗低，操作简单，因此，投资及运行费用低廉， 而且产生的剩余污泥量少，所需的营养物质也少，如其b o d 5 p 只需为4 0 0 0 ：l ，微生 物对磷的要求较低，渗滤液中磷含量通常情况下都在l m g l 以下。采用普通厌氧处理 工艺，在中温条件下，处理c o d 负荷为l k g ( m 3 d ) 的渗滤液，停留时间为1 0 d ，研 究发现c o d 去除率可达9 0 【1 0 1 。徐竺等采用上流式厌氧过滤器技术处理高浓度渗 滤液，研究发现，处理效果良好，中温条件下，c o d 去除率高达9 5 左右；常温条件 下，c o d 去除率可达9 0 左右。何宗健等【1 2 】采用中试试验处理杭州天子岭垃圾填埋 场渗滤液，结果表明在经过u a s b 处理，b o d 5 由1 2 0 0 - 2 6 3 0 m g l 下降9 0 1 1 0 m g l ， 去除率9 0 - 9 6 ，c o d 由3 7 3 0 - - - 7 4 7 0 m g l 下降至5 9 0 9 5 0 m g l ，去除率7 7 - - 9 1 ， s s 由3 0 - 2 4 0 m g l 下降至2 0 15 0 m g l ，去除率2 4 7 5 。 国外填埋场渗滤液厌氧生物处理主要采用的处理技术是压抑滤池技术和厌氧接触 池技术。h ，s i e g r i s t 等进行了厌氧接触池技术方面的相关研究。厌氧滤池在处理溶解 性有机污染物时具有明显优势，加拿大h al i f a xhi g h wa y1 0 1 填埋场渗滤液平均c o d 为1 2 8 5 0g l 、b o d 5 c o d 为0 7 ，p n 为5 6 ，p h 值较低，先用石灰水将其p h 调至 7 8 ，沉淀1h ，然后采用厌氧滤池进行处理，另外，此工艺还有具有去除重金属的作用。 当c o d 负荷为4k g ( m 3 d ) 时，c o d 去除率可达9 2 以上；当负荷提高时，其去除率 明显降低【5 1 。英国水研究中心报道，用上向流式厌氧污泥床( u a s b ) 处理c o d 1 0g l 的渗滤液，当c o d 负荷为3 6 - - - 1 9 7k g ( m 3 d ) ，平均泥龄为1 o 4 3d ，温度为3 0 摄 氏度时，c o d 和b o d 5 的去除率各为8 2 和8 5 ，它们的负荷比厌氧滤池要大得多 【6 。h t i m u e 等人【3 】在不调节p h 的条件下，采用a s b r ( 厌氧序批式反应器) 和 a h b f ( 厌氧混合床) 处理技术，比较其在处理高浓度“年轻”渗滤液的处理效果，研究发 现t o c 去除率在8 0 左右：p e t e r 等【9 】人采用u a s b f ( 厌氧污泥床过滤器) 技术处理有 机负荷为1 0 k g b o o ( m 3 d ) 渗滤液时，c o d 去除率为8 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 生物质垃圾混合厌氧消化处理现状 纵观国内外研究现状，国内外关于生物质废物混合厌氧消化技术都有定的研究。 目前国内关于混合厌氧消化处理技术的研究还处于起步阶段，只在一定程度上做了相 关的实验研究，而国外在这方面己做了大量的研究且己应用于实践当中。 蒲贵兵【1 7 】等采用泔脚发酵技术，通过城市生活垃圾的厌氧消化污泥接种厌氧菌， 研究生物质废物发酵，研究发现，接种物量越大，沼气的生产能力会随之相应增强， 其中，将6 0 作为最佳接种量的分界点。楚莉莉等【ls 】进行了不同原料( 牛粪、猪粪、 水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆5 种原料) 及其配比厌氧发酵产气效果研究。试验采 用可控性恒温发酵方式，将猪粪、牛粪分别与水稻秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆按2 ：1 、 1 ：1 、3 ：1 进行混合厌氧发酵，研究其在2 5 、3 0 、3 5 、4 0 下的产气情况。结果 表明，从累计产气量来看，猪粪与3 种秸秆的配比，在3 0 c 恒温条件下，猪粪与玉米 秸秆按比例为3 ：1 的累积产气量最大。在4 0 c 恒温条件下，牛粪与3 种秸秆的配比， 牛粪与玉米秸秆按比例为2 ：1 的累积产气量最大。兰劲涛等【1 9 】研究在中温条件下，有 机固体废弃物厌氧消化成气因素，研究了t s 含量、c n 和接种液对厌氧消化情况和产 气量的影响。研究表明，t s 含量高时，较容易引起酸化且阻碍试验顺利进行，而当t s 含量低时，厌氧消化情况良好；当c n 在2 0 - - 3 0 ：1 时，消化效果最好；在微生物接种 量充足的前提下，增加接种量不会促进厌氧消化和提高产气量。瞿贤，何品晶等【2 0 】对 不同生物质( 食物类废物和纤维类废物) 生活垃圾厌氧消化产气量进行了研究，试验采用 批式填料方式。试验结果表明，当食物类和纤维类废物在生活垃圾中所占的比例越高， 厌氧消化累积产气量越大。 x g o m e z 等【1 3 】对不同有机负荷混合物对甲烷产量的影响进行了研究，研究发现， 由于进料混合物中v s 浓度较高，因此在低负荷进料情况下，混合厌氧消化比单独厌氧 消化的产气效果更好。a l e h t o m a k i 等【1 4 】人通过实验室条件下的规模试验，实验采用实 验室型连续搅拌装置，填料方式为半连续进料。实验结果表明，当进料原料中v s 占的 比例越大，单位v s 最大累计生物产气量越低。h e g u a n gz h u 等【1 5 】选取食品废物( f w ) ， 初沉污泥( p s ) 和消化污泥( w a s ) ，将f w + w a s ，f w + p s 和f w + p s + w a s 分别按l ：1 ， 1 ：3 ，3 ：1 的比例，进行了生物质废物和污泥混合厌氧消化联合产气研究。研究表明，在 三个混合组中，混合比例为1 ：1 的最大累计生物产气量最高。d e m i r e k l e r 等【1 6 】对不同 污泥与垃圾比混合厌氧消化进行了研究，建议污泥与垃圾的最佳比例为8 0 ：2 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 二4 课题研究的意义、内容及技术路线 1 4 1 研究意义 城市生活水平不断提高将直接影响城市生活垃圾产量快速增长。据统计，我国城 市生活垃圾产生量平均每年以近9 的速率增长，有资料表明，中国有2 3 的城市被垃 圾所包围，且有l 4 的城市已无适合场所堆放垃圾【1 0 】。垃圾随意堆放、填埋等造成城 市生态环境系统失去平衡，并且我国城市生活垃圾中的大量生物质废弃物至今未得到 有效利用，这已成为限制我国城市社会经济发展的主要影响因素之一。 我国城市生活垃圾( m s w ) 产量每年约按8 1 0 的速率逐年递增。根据目前城 市人均生活垃圾年产量预测，我国在2 0 世纪3 0 年代和5 0 年代，垃圾产生量将分别突 破4 亿吨和5 亿吨。因此，生活垃圾污染控制已成为我国现阶段所面临的重大环境问 题【2 l 】。其中，填埋、焚烧、堆肥、热解等被作为处理m s w 的主要技术。 对比几种垃圾处理方法，依据我国国情，卫生填埋已成为处理我国城市生活垃圾 的主要技术。卫生填埋处理技术相对较成熟，且成本低，管理简便，是实现m s w 处 理无害化、资源化、减量化的有效技术。由于我国在这方面起步较晚，2 0 世纪8 0 年代 初，全国均未修建正规填埋场，主要采用自然衰减型填埋方式，采用的技术是高温堆 肥和裸露堆置，对环境造成了一定污染。在2 0 世纪8 0 年代中期，由于垃圾堆置造成 的环境问题进一步恶化，苍蝇、蚊子、细菌等大量滋生，臭气弥漫，渗滤液的随意排 放造成了地下水的严重污染，严重影响了我国城市社会经济的发展，严重影响及危害 居民生活，在这个时期，我国开始规划修建城市生活垃圾卫生填埋场。从2 0 世纪9 0 年代起，卫生填埋技术日趋成熟，垃圾卫生填埋技术是以传统垃圾堆肥和填埋为基础。 卫生填埋和其他传统填埋方式相比，需科学选址；需建设相关的环保工程措施；需技 术规范填埋；填埋场饱和后进行封场和维护田】。 垃圾渗滤液的有效处理是卫生填埋亟待解决的世界性难题，由于填埋过程中，压 实和生物降解作用致使垃圾中的污染物( 如重金属、有机污染物等) 进入水中溶出而 形成渗滤液。渗滤液由于污染物成分多样，c o d c ，和b o d 5 浓度高，氨氮含量高、( n 、 p 等) 营养元素比例失调，因此难于用传统的物化法和生物法进行达标处理。反渗透技 术虽处理效果较好，但存在运行成本高、浓缩液和渗透膜污染难以处理等问题，因此 未得到广泛使用。渗滤液根据填埋年限的不同，其性质波动变化较大，其中“年轻”渗 滤液的有机污染物含量高，且大部分为生物可降解废物。通常b o d 5 和c o d 盯比值在 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 o 5 左右，可采用生物处理技术进行处理【2 3 1 。 送往填埋场的城市生活垃圾中含有大量的生物质垃圾，这些垃圾具有含水率高与 有机质含量高的特性，对填埋场渗滤液与生物质垃圾进行混合厌氧消化处理，在对生 物质垃圾有效处理的同时，还能产生清洁能源沼气，这在国内外都是具有发展潜力的 研究方向之一。 以成都市生活垃圾填埋场渗滤液、其他生物质垃圾作为试验材料，进行混合厌氧消 化条件试验。在试验基础上，系统研究不同试验条件下，渗滤液厌氧消化的过程，以 及其他生物质垃圾与渗滤液混合厌氧消化过程和甲烷产量的影响，并以成都市垃圾填 埋场渗滤液和其他生物质垃圾为研究对象，进行条件试验并得到相关的试验数据和工 艺参数，以指导进一步的实际应用。 1 4 2 研究内容 综上所述，本论文主要的研究内容如下： ( 1 ) 填埋场渗滤液水质分析； ( 2 ) 填埋场渗滤液与其他生物质垃圾混合厌氧消化条件试验研究； ( 3 ) 对试验结果进行分析，得出相关的试验数据和工艺参数，以指导进一步的实 际应用。 首先，将渗滤液在3 5 ( 2 中温条件下进行驯化，驯化装置是抽滤瓶，驯化时间为渗 滤液驯化开始直至不再产气的天数。然后采用批式填料方式，将生物质垃圾以不同有 机负荷填料，至此试验启动。试验期间，需每天进行p h 值和日产气量的测定，收集生 物气体：手动搅拌三次：气体成分定期测定一次；厌氧消化液指标( 氨氮、碱度和挥 发性脂肪酸( 队) 等) 三天测定一次；研究不同负荷填料条件下的混合厌氧消化过 程。 1 4 3 主要技术路线 本课题的研究过程，以试验为基础设计技术路线，按照“资料收集一现场调研一试 验方案设计试验启动运行一试验结果分析”的研究思路。技术路线如图1 1 所示。 1 4 4 研究的创新性 本课题的创新性主要体现在：对填埋场渗滤液和其他生物质垃圾进行混合厌氧消化 条件试验，探索渗滤液混合厌氧消化处理效果，同时对试验结果进行系统分析，为进 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 一步地研究和工业应用提供基础数据依据。 图i - i 试验技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章厌氧消化原理及技术概述 2 1 厌氧消化的基本理论 厌氧消化，又叫厌氧生物处理法，是指有机物在无氧条件下被微生物分解、转化 成甲烷和二氧化碳等，并合成自身细胞物质的生物学过程。在整个生物学转化过程中， 包括两个重要问题，一个是能量的转化及流向，另一个是各种厌氧或兼性厌氧微生物 的代谢活动。首先能量有三方面的转化和流向，大部分的能量储存在c h 4 中，一小部 分被氧化成c 0 2 ，还有一小部分用于微生物自身代谢活动。厌氧消化系统是一个完整 的生态系统，各种微生物之间相互制约，相互影响，共同维持厌氧消化系统的动态平 衡。厌氧消化在将复杂有机物降解成甲烷和简单稳定物质的同时，还可杀灭病原细菌 和寄生虫卵，从而实现固体废物处理的资源化、减量化和无害化 2 4 1 。 在厌氧消化的生物学反应过程中，每个反应都在特定微生物酶的催化作用下完成， 反应过程复杂，中间产物种类较多，总反应式为： 有机物+ 营养物质+ 水一c h 4t + c o ：t + n h 3 t + h 2 t + h 2 s l + 坑性物质+ 热量 早在1 7 世纪3 0 年代，欧洲早期科学家海尔曼就发现了一种可燃气体，即现在所 称的沼气。在1 7 世纪到2 0 世纪，各国科学家都对沼气进行了相关方面的研究。尤其 在2 0 世纪中后期，科技迅猛发展，进入到了沼气的微生物学机理研究阶段，此阶段主 要是对产沼气过程中的物质转化、细菌作用机理进行了研究，研究发现在厌氧消化过 程中起关键作用的微生物是产甲烷菌，其次是水解发酵细菌和产氢产乙酸细菌。依据 不同种类微生物作用类型，可将厌氧消化过程分为两阶段、三阶段、四阶段等，既二 阶段理论、三阶段理论和四阶段理论【2 5 1 。 2 1 1 两阶段理论 两阶段理论由t h u m m 、r e i c h i e 和i m h o f f 提出，经b u s w e l l 、n e a v e 修订完成。两 阶段理论将整个厌氧消化过程分为产酸和产甲烷两个阶段【2 6 1 ，即酸性发酵阶段和碱性 发酵阶段，不产甲烷菌和产甲烷细菌分别作为两阶段的主导菌群。如图2 1 所示。 第一阶段，酸性发酵阶段。在反应初期，产酸菌是该阶段的主导菌群，高分子复 杂有机物被产酸菌降解，在此过程中会产生大量有机酸( 如乙酸、丙酸等) ，导致消化 液的p h 值下降，由此该阶段被称为酸性发酵阶段。该阶段产酸菌分解有机物所产生的 能量绝大部分用于发酵能源，只有极少部分用于产酸菌自身代谢活动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 酸性发酵作用 ii 有机酸和醇类氢气、二氧化碳、硫化 ， 上 碱性发酵作用 1r 1r 甲烷、氢气、二氧化碳、硫化氢 第一阶段 - - - - - - - - - - - - - - - 一 酸性发酵阶 第二阶段 i 一 碱性发酵阶 图2 - l两阶段厌氧消化过程图 第二阶段，碱性发酵阶段。在消化反应后期，产甲烷细菌占主导作用，第一阶段 发酵产生的低分子中间产物( 如有机酸、醇类等) 被产甲烷细菌利用，分解成甲烷和 二氧化碳等。在反应过程中，由于有机酸的分解和氨的中和作用，使p h 值上升，由此 进入第二阶段，即碱性发酵阶段。该阶段趋于结束时，可降解有机物几乎都会被降解。 该阶段产生的能量几乎全部被细菌用于维持生存。 厌氧消化无需氧气供给，其利用的是各种微生物自身的代谢活动，能源消耗较少， 且可生产清洁能源沼气，但其发酵效率低、消化速率慢、所需稳定时间长。有机物的 分解过程可用下述b u s w e l l m u e l l 钮 标准式表示，前提条件是不考虑形成新细胞。 c n h a o h + n _ 署。兰】h 2 0 _ 唔+ 詈。石bj c 出+ i n 。詈+ 4 b _ c 0 2 + 能量 2 1 2 三阶段理论 2 0 世纪7 0 年代，布赖恩特( b r y a n t ) 等在中温厌氧消化条件下，发现了奥氏甲烷 杆菌，由此提出了厌氧消化三阶段理论口7 。2 引，如图2 2 所示。三阶段理论中的水解发 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 酵阶段和产气产乙酸阶段，实质是两阶段理论中第一阶段的分解。三阶段理论的第一、 二阶段的微生物是不产甲烷茵，第三阶段的微生物是产甲烷菌，产甲烷菌需在严格厌 氧的环境下生长，能够以h 2 、c 0 2 和乙酸低分子有机物为基质，将其分解成甲烷。 复杂有机化合物 蛋白质碳水化合物脂类 j r上土 水解、发酵作用 1 r 糖类、甘油、氨基酸、脂肪酸、醇类、氢气、二 1r 产氢、产乙酸作用 1 r 乙酸、氢气、二氧化碳 1r 产甲烷作用 1 r 甲烷、二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化 第一阶段 - - - - - - - - - - - - - 一 水解发酵阶 第二阶段 - - - - - - - - - - - - 一 产氢、产乙酸阶 第三阶 卜- - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 产甲烷阶 图2 2 三阶段厌氧消化过程图 分析三阶段理论与两阶段理论可见，三阶段理论整个厌氧消化过程中，产氢产乙 酸细菌起主导作用，其主要作用是能够把不能被产甲烷细菌直接分解的中间产物转化 成氢气、二氧化碳和乙酸，这就解除了两阶段的局限性【2 9 1 。厌氧消化三阶段间相互连 续，共同维持整个厌氧消化系统的平衡。 第一阶段：水解发酵阶段。该阶段的主导茵群是兼性细菌和少数厌氧菌，反应原 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 量曼曼i i 曼曼曼曼量曼量量皇曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼鼍舅皇曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼皇曼曼皇量皇量曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼 理是利用发酵细菌在其酶的催化作用下，将高分子复杂有机物转化成低分子的有机酸 和醇类等。但此阶段水解速率较低，细菌对有机物的水解速率受到环境条件限制，如 物料性质、温度和微生物浓度等。 第二阶段：产氢、产乙酸阶段。此阶段是将第一阶段产生的简单可溶性有机物转 化成低分子化合物，其主要过程就是产氢、产乙酸细菌将可溶性有机物( 如丙酸、丁 酸、乳酸等) 吸收到其菌体内，并利用其胞内酶的作用将其分解为乙酸和氢气的过程。 第三阶段：产甲烷阶段。在前两阶段的基础上，产甲烷细菌利用第二阶段的产物 乙酸、丁酸、甲醇等为基质，将其转化为甲烷和二氧化碳，同时部分二氧化碳还能被 产酸阶段产生的氢气还原成甲烷。该阶段的主导细菌有两类，分别是分解乙酸的甲烷 菌和氧化氢气的甲烷菌。氨细菌可以将发酵液中的含氮化合物的氮转化为氨态氮，使 发酵液中的氨态氮浓度升高，降低氧化还原电位，从而为甲烷菌的大量生长繁殖提供 条件，将第一阶段的发酵产物进一步转化成甲烷【3 0 】 2 1 3 四阶段理论 1 9 7 9 年，j g z e i k u s 在第一届国际厌氧消化会议上提出厌氧消化四阶段理论 2 4 1 。四 阶段理论【3 l 】分为：水解、发酵酸化、产氢产乙酸和产甲烷阶段。 第一阶段：水解阶段。该阶段是水解细菌水解高分子有机物阶段，具体是将简单 溶解有机物分解成复杂非溶性聚合物的过程。 第二阶段：发酵阶段。发酵阶段又叫做酸化阶段。此阶段是发酵细菌将第一阶段 水解的中间产物转化成二氧化碳、氢气、挥发性脂肪酸( 认) 等的过程。 第三阶段：产乙酸阶段。此阶段是将第二阶段产生的末端产物转化成氢气、碳酸 等，及合成新细胞物质的过程。其主导菌群是产氢产乙酸菌，它属于厌氧菌或兼性厌 氧菌。 第四阶段：产甲烷阶段。该阶段是在产甲烷菌的作用下将乙酸转化为甲烷，将氢 气和二氧化碳反应生成甲烷的过程。在一般情况下，有三分之二的甲烷是由乙酸分解 产生，只有三分之一的甲烷是由氢气和二氧化碳厌氧反应生成。 2 2 厌氧消化的微生物学原理 厌氧消化系列反应是由厌氧微生物所引发的一系列生物学反应过程。在整个厌氧 发酵系统中，厌氧微生物种类繁多，各种微生物间关系复杂，各种微生物间保持平衡、 协调作用是厌氧消化过程连续进行的基础和条件。厌氧消化反应的主导菌群主要有两 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 类，分别是不产甲烷菌和产甲烷菌。其中不产甲烷菌包括三类，产甲烷茵是厌氧消化 反应过程的最后核心成员。两类微生物相互依赖和制约，彼此构成互生关系，共同维 持厌氧系统的动态平衡。 厌氧微生物间的关系有如下三种。其中，第一种关系最为重要。 ( 1 ) 不产甲烷菌和产甲烷菌的相互关系 前者为后者提供基质和适宜的氧化还原电位、去除有毒有害物质、共同维持适 宜的p h 值环境； 后者为前者在反应中消除反馈抑制。 ( 2 ) 不产甲烷菌间的相互关系 不产甲烷菌间存在互利共生关系，三类不产甲烷菌在厌氧消化反应中依次出现， 前者为后者提供底物，后者为前者解除反馈抑制。 ( 3 ) 产甲烷细菌间的相互关系 产甲烷菌间对厌氧消化底物的竞争是此种关系的主要表现。 2 3 厌氧消化的动力学原理 随着科技进步，国内外关于厌氧发酵动力学模型方面都在一定程度上做了相关研 究。v a v i l i n e 3 2 】对将四种动力学模型( 一级反应动力学方程、c o n t o i s 方程、两相模型 和m o n o d 方程) 应用于粪便和纤维素等厌氧消化过程模拟，研究表明，模型选取与固 体停留时间是否确定有直接关系。v a v i l i n 3 3 】等人对表面水解动力学进行了模拟研究， 前提条件是假设垃圾水解必经两阶段。a d r i ov t 3 4 1 测定了6 种有机垃圾的水解速率， 分别建立在2 0 c 和4 0 c 的一级水解动力学常数为0 0 3 一o 1 5 d - 1 和o 2 4 一o 4 7 d - 1 。结果 表明，水解酶吸附是决定有机物水解速率的重要